Физика. Лекции / Lect11

Основы статистической физики

Все тела состоят из огромного числа частиц, движение которых хаотично и сопровождается массовыми столкновениями. Тем не менее в таком хаотическом движении устанавливаются стабильные закономерности статического характера.

Опыт Штерна (1920 г.)

Экспериментальная установка представляет собой два находящихся в вакууме жестко связанных между собой коаксиальных цилиндра, по оси которых натянута платиновая нить, покрытая серебром. Малый цилиндр радиуса r имеет вертикальную щель. Если по нити пропустить электрический ток, она будет нагреваться, серебро будет испарятся, его атомы будут пролетать через щель и осаждаться на большом цилиндре радиуса R, образуя изображение узкой щели в виде узкой полоски почернения серебра. Картина изменится, если установку привести во вращение с угловой скоростью . Изображение щели будет размыто с ярко выраженным максимумом. Это говорит о том, что атомы серебра имеют неодинаковые скорости, вследствие этого они имеют разные времена пробега и, поскольку цилиндр вращается, будут достигать его поверхности в разных точках. Наличие максимума в почернении, говорит о том, что имеется некоторая наиболее вероятная скорость атомов серебра. При этом простые вычисления дают возможность оценить скорость v атомов серебра. Приравнивая время пролета атомов между поверхностями цилиндров и время, в течение которого точки поверхности большого цилиндра сместились на x получим:

.

Скорость атомов серебра оказалась очень большой, порядка .

Максвелловское распределение молекул по их скоростям и энергиям

1. Возьмем идеальный газ. В результате столкновений молекул газа, их скорости все время изменяются, но в газе создается некоторое стационарное распределение молекул по их скоростям .

Пусть температура газа T = 300K.

Интервал скоростей	Доля молекул, имеющих скорости в заданном интервале

Эта таблица называется - распределением молекул по скоростям. Из этого распределения видно, что существует какая-то наиболее вероятная скорость.

2. Максвелл в 1860 г. получил формулу, которая описывает распределение молекул по скоростям:

Максвелловское распределение молекул по их скоростям

-

где n – число молекул в единице объема,

dn – число молекул в единице объема, имеющих скорость в интервале от v до v + dv,

m – масса молекулы,

k – постоянная Больцмана,

T – температура.

3. Построим кривые Максвелла для двух температур ().

Физический смысл кривой Максвелла: - число молекул, имеющих скорости в единичном интервале скоростей. Возьмем узкую полоску, которую можно считать прямоугольной. Ее площадь равна : .

Тогда площадь под всей кривой Максвелла равна n.

4. Для того, чтобы придать вероятностный характер распределению Максвелла, введем новую функцию :

- функция распределения Максвелла молекул по их скоростям.

График этой функции имеет аналогичный вид, но теперь площадь под кривой равна 1.

- имеет смысл вероятности того, что молекула имеет скорость в интервале от до . Согласно определению функции имеем

, откуда видно, что

- плотность вероятности того, что молекула имеет скорость в интервале от до .

Это очень важная величина в теории вероятности, позволяющая вычислять среднее значение любой физической величины, являющейся функцией скорости .

5. От распределения молекул по скоростям можно перейти к распределению молекул по их кинетической энергии . Для этого надо в распределении молекул по скоростям выразить и через и .

, .

Производя вычисления, получим

Максвелловское расрпеделение молекул по их кинетическим энергиям.

-

Аналогично вводится :

- функция распределения Максвелла молекул по их энергиям.

Характерные скорости молекул идеального газа .

1. - наиболее вероятная скорость молекул

Это скорость молекул, при которой функция распределения имеет максимум. Возьмем производную от, и приравняв ее нулю, получим уравнение для нахождения :

,

, ,

-

- наиболее вероятная скорость молекул

2. <v_кв> - средняя квадратичная скорость молекул.

Для нахождения <v_кв> можно воспользоваться выражением для средней кинетической энергии <> поступательного движения молекул

,

,

или вычислить интеграл

- средняя квадратичная скорость молекул

3. <v> - средняя арифметическая скорость молекул.

- средняя арифметическая скорость молекул

Воспользовавшись соотношением , формулы для характерных скоростей молекул можно представить в виде

- наиболее вероятная скорость молекул,

- средняя квадратичная скорость молекул,

- средняя арифметическая скорость молекул.

Распределение Больцмана молекул по их потенциальным энергиям

Если газ находится во внешнем силовом поле, то частицы газа обладают потенциальной энергией _п . Рассмотрим распределение молекул идеального газа по высоте в однородном гравитационном поле. В этом случае для газа имеет место барометрическая формула:

,

где - давление газа на поверхности Земли, - давление газа на высоте h.

С учетом того, что

, ,

,

получим распределение молекул по высоте в однородном гравитационном поле:

.

Больцман показал, что полученное распределение применимо к идеальному газу, находящемуся в любом силовом поле:

распределение Больцмана молекул по их потенциальным энергиям

-

Если идеальный газ находится в силовом поле, то реализуются, вообще говоря, оба распределения: распределение Максвелла молекул по их кинетическим энергиям и распределение Больцмана молекул по их потенциальным энергиям.

Для этого надо объединить оба распределения:

- распределение Максвелла,

- распределение Больцмана,

В результате получим

распределение Максвелла-Больцмана.

-